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# 如何用 Elasticsearch 构建商品搜索系统？

搜索这个特性可以说是无处不在，现在很少有网站或者系统不提供搜索功能了，所以，即使你不是一个专业做搜索的程序员，也难免会遇到一些搜索相关的需求。搜索这个东西，表面上看功能很简单，就是一个搜索框，输入关键字，然后搜出来想要的内容就好了。

搜索背后的实现，可以非常简单，简单到什么程度呢？我们就用一个 SQL，LIKE 一下就能实现；也可以很复杂，复杂到什么程度呢？不说百度谷歌这种专业做搜索的公司，其他非专业做搜索的互联网大厂，搜索团队大多是千人规模，这里面不仅有程序员，还有算法工程师、业务专家等等。二者的区别也仅仅是，搜索速度的快慢以及搜出来的内容好坏而已。

今天这节课，我们就以电商中的商品搜索作为例子，来讲一下，如何用 ES(Elasticsearch) 来快速、低成本地构建一个体验还不错的搜索系统。

# 理解倒排索引机制

刚刚我们说了，既然我们的数据大多都是存在数据库里，用 SQL 的 LIKE 也能实现匹配，也能搜出结果，为什么还要专门做一套搜索系统呢？我先来和你分析一下，为什么数据库不适合做搜索。

搜索的核心需求是全文匹配，对于全文匹配，数据库的索引是根本派不上用场的，那只能全表扫描。全表扫描已经非常慢了，这还不算，还需要在每条记录上做全文匹配，也就是一个字一个字的比对，这个速度就更慢了。所以，使用数据来做搜索，性能上完全没法满足要求。

那 ES 是怎么来解决搜索问题的呢？我们来举个例子说明一下，假设我们有这样两个商品，一个是烟台红富士苹果，一个是苹果手机 iPhone XS Max。

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这个表里面的 DOCID 就是唯一标识一条记录的 ID，和数据库里面的主键是类似的。

为了能够支持快速地全文搜索，ES 中对于文本采用了一种特殊的索引：倒排索引（Inverted Index）。那我们看一下在 ES 中，这两条商品数据倒排索引长什么样？请看下面这个表。

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可以看到，这个倒排索引的表，它是以单词作为索引的 Key，然后每个单词的倒排索引的值是一个列表，这个列表的元素就是含有这个单词的商品记录的 DOCID。

这个倒排索引怎么构建的呢？当我们往 ES 写入商品记录的时候，ES 会先对需要搜索的字段，也就是商品标题进行分词。分词就是把一段连续的文本按照语义拆分成多个单词。然后 ES 按照单词来给商品记录做索引，就形成了上面那个表一样的倒排索引。

当我们搜索关键字 「苹果手机」的时候，ES 会对关键字也进行分词，比如说，「苹果手机」被分为「苹果」和「手机」。然后，ES 会在倒排索引中去搜索我们输入的每个关键字分词，搜索结果应该是：

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666 和 888 这两条记录都能匹配上搜索的关键词，但是 888 这个商品比 666 这个商品匹配度更高，因为它两个单词都能匹配上，所以按照匹配度把结果做一个排序，最终返回的搜索结果就是：

  • 苹果Apple iPhone XS Max (A2104) 256GB 金色 移动联通电信 4G手机双卡双待
  • 烟台红富士苹果5kg 一级铂金大果 单果 230g 以上 新鲜水果

看起来搜索的效果还是不错的。

为什么倒排索引可以做到快速搜索？我和你一起来分析一下上面这个例子的查找性能。

这个搜索过程，其实就是对上面的倒排索引做了二次查找，一次找「苹果」，一次找「手机」。注意，整个搜索过程中，我们没有做过任何文本的模糊匹配。ES 的存储引擎存储倒排索引时，肯定不是像我们上面表格中展示那样存成一个二维表，实际上它的物理存储结构和 MySQL 的 InnoDB 的索引是差不多的，都是一颗查找树。

对倒排索引做两次查找，也就是对树进行二次查找，它的时间复杂度，类似于 MySQL 中的二次命中索引的查找。显然，这个查找速度，比用 MySQL 全表扫描加上模糊匹配的方式，要快好几个数量级。

# 如何在 ES 中构建商品的索引?

理解了倒排索引的原理之后，我们一起用 ES 构建一个商品索引，简单实现一个商品搜索系统。虽然 ES 是为搜索而生的，但本质上，它仍然是一个存储系统。ES 里面的一些概念，基本上都可以在关系数据库中找到对应的名词，为了便于你快速理解这些概念，我把这些概念的对应关系列出来，你可以对照理解。

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在 ES 里面，数据的逻辑结构类似于 MongoDB，每条数据称为一个 DOCUMENT，简称 DOC。DOC 就是一个 JSON 对象，DOC 中的每个 JSON 字段，在 ES 中称为 FIELD，把一组具有相同字段的 DOC 存放在一起，存放它们的逻辑容器叫 INDEX，这些 DOC 的 JSON 结构称为 MAPPING。这里面最不好理解的就是这个 INDEX，它实际上类似于 MySQL 中表的概念，而不是我们通常理解的用于查找数据的索引。

ES 是一个用 Java 开发的服务端程序，除了 Java 以外就没有什么外部依赖了，安装部署都非常简单，具体你可以参照它的官方文档先把 ES 安装好。我们这个示例中，使用的 ES 版本是目前的最新版本 7.6。

另外，为了能让 ES 支持中文分词，需要给 ES 安装一个中文的分词插件 IK Analysis for Elasticsearch，这个插件的作用就是告诉 ES 怎么对中文文本进行分词。

你可以直接执行下面的命令自动下载并安装：

$elasticsearch-plugin install https://github.com/medcl/elasticsearch-analysis-ik/releases/download/v7.6.0/elasticsearch-analysis-ik-7.6.0.zip
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安装完成后，需要重启 ES，验证一下是否安装成功：

curl -X POST "localhost:9200/_analyze?pretty" -H 'Content-Type: application/json' -d '{ "analyzer": "ik_smart", "text": "极客时间" }'
{
  "tokens" : [
    {
      "token" : "极",
      "start_offset" : 0,
      "end_offset" : 1,
      "type" : "CN_CHAR",
      "position" : 0
    },
    {
      "token" : "客",
      "start_offset" : 1,
      "end_offset" : 2,
      "type" : "CN_CHAR",
      "position" : 1
    },
    {
      "token" : "时间",
      "start_offset" : 2,
      "end_offset" : 4,
      "type" : "CN_WORD",
      "position" : 2
    }
  ]
}
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可以看到，这个分词器把「极客时间」分成了极」、「客」和「时间」，没认出来「极客」这个词，还是有改进空间的。

为了能实现商品搜索，我们需要先把商品信息存放到 ES 中，首先我们先定义存放在 ES 中商品的数据结构，也就是 MAPPING。

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我们这个 MAPPING 只要两个字段就够了，sku_id 就是商品 ID，title 保存商品的标题，当用户在搜索商品的时候，我们在 ES 中来匹配商品标题，返回符合条件商品的 sku_id 列表。ES 默认提供了标准的 RESTful 接口，不需要客户端，直接使用 HTTP 协议就可以访问，这里我们使用 curl 通过命令行来操作 ES。

接下来我们使用上面这个 MAPPING 创建 INDEX，类似于 MySQL 中创建一个表

curl -X PUT "localhost:9200/sku" -H 'Content-Type: application/json' -d '{
        "mappings": {
                "properties": {
                        "sku_id": {
                                "type": "long"
                        },
                        "title": {
                                "type": "text",
                                "analyzer": "ik_max_word",
                                "search_analyzer": "ik_max_word"
                        }
                }
        }
}'
{"acknowledged":true,"shards_acknowledged":true,"index":"sku"}
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这里面，使用 PUT 方法创建一个 INDEX，INDEX 的名称是「sku」，直接写在请求的 URL 中。请求的 BODY 是一个 JSON 对象，内容就是我们上面定义的 MAPPING，也就是数据结构。这里面需要注意一下，由于我们要在 title 这个字段上进行全文搜索，所以我们把数据类型定义为 text，并指定使用我们刚刚安装的中文分词插件 IK 作为这个字段的分词器。

创建好 INDEX 之后，就可以往 INDEX 中写入商品数据，插入数据需要使用 HTTP POST 方法：

curl -X POST "localhost:9200/sku/_doc/" -H 'Content-Type: application/json' -d '{
        "sku_id": 100002860826,
        "title": "烟台红富士苹果 5kg 一级铂金大果 单果230g以上 新鲜水果"
}'
{"_index":"sku","_type":"_doc","_id":"yxQVSHABiy2kuAJG8ilW","_version":1,"result":"created","_shards":{"total":2,"successful":1,"failed":0},"_seq_no":0,"_primary_term":1}


curl -X POST "localhost:9200/sku/_doc/" -H 'Content-Type: application/json' -d '{
        "sku_id": 100000177760,
        "title": "苹果 Apple iPhone XS Max (A2104) 256GB 金色 移动联通电信4G手机 双卡双待"
}'
{"_index":"sku","_type":"_doc","_id":"zBQWSHABiy2kuAJGgim1","_version":1,"result":"created","_shards":{"total":2,"successful":1,"failed":0},"_seq_no":1,"_primary_term"
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这里面我们插入了两条商品数据，一个烟台红富士，一个 iPhone 手机。然后就可以直接进行商品搜索了，搜索使用 HTTP GET 方法。

curl -X GET 'localhost:9200/sku/_search?pretty' -H 'Content-Type: application/json' -d '{
  "query" : { "match" : { "title" : "苹果手机" }}
}'
{
  "took" : 23,
  "timed_out" : false,
  "_shards" : {
    "total" : 1,
    "successful" : 1,
    "skipped" : 0,
    "failed" : 0
  },
  "hits" : {
    "total" : {
      "value" : 2,
      "relation" : "eq"
    },
    "max_score" : 0.8594865,
    "hits" : [
      {
        "_index" : "sku",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "zBQWSHABiy2kuAJGgim1",
        "_score" : 0.8594865,
        "_source" : {
          "sku_id" : 100000177760,
          "title" : "苹果 Apple iPhone XS Max (A2104) 256GB 金色 移动联通电信4G手机 双卡双待"
        }
      },
      {
        "_index" : "sku",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "yxQVSHABiy2kuAJG8ilW",
        "_score" : 0.18577608,
        "_source" : {
          "sku_id" : 100002860826,
          "title" : "烟台红富士苹果 5kg 一级铂金大果 单果230g以上 新鲜水果"
        }
      }
    ]
  }
}
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我们先看一下请求中的 URL，其中的：

  • 「sku」代表要在 sku 这个 INDEX 内进行查找，

  • 「_search」是一个关键字，表示要进行搜索，

  • 参数 pretty 表示格式化返回的 JSON，这样方便阅读。

再看一下请求 BODY 的 JSON，query 中的 match 表示要进行全文匹配，匹配的字段就是 title，关键字是「苹果手机」。

可以看到，在返回结果中，匹配到了 2 条商品记录，和我们在前面讲解倒排索引时，预期返回的结果是一致的。

我们来回顾一下使用 ES 构建商品搜索服务的这个过程：首先安装 ES 并启动服务，然后创建一个 INDEX，定义 MAPPING，写入数据后，执行查询并返回查询结果，其实，这个过程和我们使用数据库时，先建表、插入数据然后查询的过程，就是一样的。所以，你就把 ES 当做一个支持全文搜索的数据库来使用就行了。

# 小结

ES 本质上是一个支持全文搜索的分布式内存数据库，特别适合用于构建搜索系统。ES 之所以能有非常好的全文搜索性能，最重要的原因就是采用了倒排索引。倒排索引是一种特别为搜索而设计的索引结构，倒排索引先对需要索引的字段进行分词，然后以分词为索引组成一个查找树，这样就把一个全文匹配的查找转换成了对树的查找，这是倒排索引能够快速进行搜索的根本原因。

但是，倒排索引相比于一般数据库采用的 B 树索引，它的写入和更新性能都比较差，因此倒排索引也只是适合全文搜索，不适合更新频繁的交易类数据。

笔者：此文介绍了 倒排索引 为什么这么快，简单的介绍了 es 的存储查询相关知识点，非常简单，这里笔记将不跟着去实践了。

# 思考题

我们在电商的搜索框中搜索商品时，它都有一个搜索提示的功能，比如我输入「苹果」还没有点击搜索按钮的时候，搜索框下面会提示「苹果手机」、「苹果 11」、「苹果电脑」这些建议的搜索关键字，请你课后看一下 ES 的文档，想一下，如何用 ES 快速地实现这个搜索提示功能？

可以使用 ES 的 基于 completion suggest 实现搜索提示，它使用的是 前缀索引 的方式来完成的匹配。

下面是一个较完整的答案：

因为用户每输入一个字都可能会发请求查询搜索框中的搜索推荐。所以搜索推荐的请求量远高于搜索框中的搜索。es 针对这种情况提供了 suggestion api，并提供的专门的数据结构应对搜索推荐，性能高于 match，但它应用起来也有局限性，就是只能做 前缀匹配。再结合 pinyin 分词器可以做到输入拼音字母就提示中文。如果想做非前缀匹配，可以考虑 Ngram。不过 Ngram 有些复杂，需要开发者自定义分析器。比如有个网址www.geekbang.com，用户可能记不清具体网址了，只记得网址中有 2 个 e，此时用户输入 ee 两个字母也是可以在搜索框提示出这个网址的。以上是我在工作中针对 前缀搜索推荐 和 非前缀搜索推荐 的实现方案。

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